类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器及加工方法
阅读说明：本技术 类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器及加工方法 (Phonon lattice plate micro-electromechanical resonator of cell-like topological structure and processing method ) 是由 刘嘉诚 侯世强 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器及加工方法,所述具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器,包括基底,压电层,以及位于压电层上表面的输入电极,输出电极,类细胞拓扑结构的人造声子晶格板和地电极；输入电极和输出电极放置在压电层上表面的中心处,通过交叉排列构成叉指电极(IDT,interdigital electrodes),用于实现压电层机电转换过程中的电信号输入和输出；人造声子晶格板设计在输入输出叉指电极的两侧,其结构是周期性排列的具有类细胞拓扑结构的金属钨圆柱体；本发明解决了现有微机电谐振器中存在的能量损耗较大,品质因数较低的问题,有利于实现其在低相位噪声振荡器,窄带滤波器和高精度传感器中的应用。(The invention discloses a phonon lattice plate micro-electromechanical resonator with a similar cell topological structure and a processing method thereof, wherein the artificial phonon lattice plate micro-electromechanical resonator with the similar cell topological structure comprises a substrate, a piezoelectric layer, an input electrode, an output electrode, an artificial phonon lattice plate with the similar cell topological structure and a ground electrode, wherein the input electrode and the output electrode are positioned on the upper surface of the piezoelectric layer; the input electrode and the output electrode are arranged in the center of the upper surface of the piezoelectric layer and form interdigital electrodes (IDT) through cross arrangement, and the IDT are used for realizing the input and output of electric signals in the electromechanical conversion process of the piezoelectric layer; the artificial phonon lattice plate is designed on two sides of the input and output interdigital electrode, and the structure of the artificial phonon lattice plate is a metal tungsten cylinder which is periodically arranged and has a cell-like topological structure; the invention solves the problems of larger energy loss and lower quality factor in the prior micro-electromechanical resonator, and is beneficial to realizing the application of the micro-electromechanical resonator in low-phase noise oscillators, narrow-band filters and high-precision sensors.)
技术领域
本发明属于射频微机电系统领域，具体涉及一种具有类细胞拓扑结构的声子晶格微机电谐振器及加工方法。
背景技术
随着电子设备的小型化的发展趋势，与传统的电谐振器相比，微机电 (MEMS)谐振器具有更小尺寸，更低功耗和更高集成度的特性，在传感和无线通信系统领域已显示出广阔的前景。目前，大多数便携式无线通信系统(如智能手机)中使用的都是基于声学谐振器的滤波器，由于声波在介质中传播速度小于电磁波传播速度4至5个数量级，而器件的特征尺寸是与信号的波长成正比，因此在处理相同工作频段的信号时，声学器件的体积就可以远小于传统的电学器件，更有利于电路高密度的集成化发展。
声表面波(SAW,Surface Acoustic Wave)谐振器是微机电谐振器的一种常见谐振器，是目前在3GHz频段下应用最广泛的，声表面波是一种独特的机械波，它沿着晶体表面行进时，在垂直晶体表面的方向，能量会以指数形式衰减(即衰减非常非常快，当其深入超过一个波长深度时，能量密度则降为在表面时的十分之一)，因此这种波在晶体表面行进时，最主要的优点就是能量能够集中于表层，加工工艺相对简单且成熟，成本较低，机电耦合系数较强，可以在单片上实现多种频率(multi-frequency)等。品质因数(Q)定义为谐振器中存储的能量与每个机电转换周期消耗的能量之比，带有压电换能器的声表面波谐振器的品质因数通常较低，通常只有1，000左右，导致了其在传感器、振荡器、大带宽滤波器等领域的应用受到了限制。对于滤波器而言，高品质因数可以使其通带边沿更为陡峭，有利于提升其频率选择性。因此，随着无线通信频段的划分日益密集，提升声表面波谐振器的品质因数对于其应用有着重要意义，因此减小谐振器的能量损耗是提升品质因数的重要途径。声表面波谐振器的能量损耗主要是因为谐振器在进行机械振动时，会有很多声波向外逸散，泄漏的声波所携带的能量无法在下一个周期中通过机电转换使用，从而造成能量损耗。目前，声表面谐振器通常是将由金属电极构成的反射栅放置在叉指换能电极的两侧来反射逸散出的声波，从而减小能量损耗。但是，这种方法只能反射特定频点处的声波，由于实际加工的误差影响，实际能够抑制能量损耗的效率十分有限，无法显著提高谐振器的品质因数。
人造声子晶格是一种新颖的，人工制造的周期性结构材料，可以通过几何设计产生特定的频率禁带带隙，带隙频率范围内的声波振动会被阻挡，从而可以用来阻止机械波的传播。因此，设计一种具有较宽带隙，并包含声表面被谐振器工作频率的人造声子晶格，可以有效抑制声波的损耗，从而显著提升谐振器的品质因数。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提出一种具有类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器及其加工方法，可以有效降低微机电谐振器的能量损耗，提高器件的品质因数，用于解决现有技术存在的品质因数较低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器，包括基底，压电层以及位于压电层上表面的输入电极，输出电极，人造声子晶格板和地电极；
输入电极和输出电极放置在压电层上表面的中心处，通过交叉排列构成叉指电极，用于实现压电层机电转换过程中的电信号输入和输出；
类细胞拓扑结构的人造声子晶格板设置在输入电极和输出电极的两侧，由两组人造声子晶格阵列构成，每组阵列包含3×5个有压电层和圆柱体组成的人造声子晶格单元，用于反射从叉指电极处耗散出来的声波，从而减小能量损耗；
地电极围绕输入电极，输出电极和人造声子晶格反射器的外围设置。
进一步地，背衬底硅的材质为<100>高阻硅，其厚度为500μm；
压电层的材质为铌酸锂，其厚度为0.5μm；
输入电极，输出金属电极和地电极的材质均为金属钼，其厚度为0.3μm；
人造声子晶格反射器5由两组人造声子晶格阵列构成，每组阵列包含3×5 个由压电层和圆柱体组成的人造声子晶格单元，每个人造声子晶格单元的尺寸为1×1μm，深度为0.5μm。
一种基于上述微机电谐振器的加工方法，包括如下步骤：
S1:选取<100>晶向硅晶圆，设置厚度为500±5μm的背衬底硅，得到硅衬底，之后进行表面处理；
S2:在整个衬底上沉积生长铌酸锂压电薄膜；
S3:在铌酸锂压电薄膜表层通过溅射沉积的方法形成金属电极薄膜，并通过光刻得到电极、金属走线和电极盘；
S4:沉积二氧化硅硬掩模，作为沟槽刻蚀时的保护层；
S5:在二氧化硅硬掩模上进行光刻刻蚀，得到淀积钨金属的通孔；
S6:在掩膜表面淀积钨金属，之后反刻得到钨金属圆柱体；
S7:释放保护层并去除表面氧化硅层，得到具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器。
本方案的有益效果为：
(1)本发明提供的具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器，通过在压电层上淀积金属钨圆柱体阵列来取代传统的电极反射栅，可以将叉指电极处泄露出来的声波反射回去，从而减小声能损耗，提升其品质因数；
(2)与传统的电极反射栅设计相比，人造声子晶格反射器具有较宽的声学频率带隙，可以抑制整个带隙频率范围内的声波传播，从而对声能损耗的抑制更有效。
附图说明
图1为具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器的三维结构图；
图2为具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器的俯视图；
图3为具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器的剖面图；
图4为类细胞拓扑结构的人造声子晶格单元的三维结构图；
图5为类细胞拓扑结构的人造声子晶格单元的俯视图和布里渊区；
图6为人造声子晶格单元产生的带隙；
图7为具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器的加工步骤；
图8为另一实施例的人造声子晶格板微机电谐振器的三维结构图；
图9为另一实施例的人造声子晶格板微机电谐振器的俯视图。
其中，1、基底；2、压电层；3、输入电极；4、输出电极；5、类细胞拓扑结构的人造声子晶格板；6、地电极。
具体实施方式
面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器，包括压电层2以及位于压电层2上表面的输入电极3，输出电极4，类细胞拓扑结构的人造声子晶格板5和地电极6；
输入电极3和输出电极4放置在压电层2上表面的中心处，通过交叉排列构成叉指电极，用于实现压电层2机电转换过程中的电信号输入和输出。输入电极3能够基于逆压电效应将电能量转换成声波形成谐振，输出电极4能够基于正压电效应将产生的声波信号转换成电信号进行输出；
地电极6围绕压电层2的边缘放置；
如图2所示，类细胞拓扑结构的人造声子晶格板5由两组阵列构成，每组阵列包含3×5个凸起的圆柱形金属钨，通过设置在输入电极3和输出电极4构成的叉指换能器的两侧，可以反射从叉指电极处耗散出来的声能；
本实施例中，硅基底1的材质为具有良好稳定性的<100>高阻硅，其厚度约为500μm；
压电层2的材质为铌酸锂，其厚度为0.5μm；
输入电极3，输出电极4和地电极6的材质均为金属钼，其厚度为0.3μm；
类细胞拓扑结构的人造声子晶格板5由两组阵列构成，每组阵列包含3×5 个压电层和凸出的圆柱体金属钨组成，每个人造声子晶格单元的压电层边长为 1μm×1μm，高度为0.5μm，圆柱体半径为0.42μm，高度为1.1μm。
实施例2：
面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图8所示，一种具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器，包括压电层2以及位于压电层2上表面的输入电极3，输出电极4，为保证连接的可持续性，加入垫层7，以及类细胞拓扑结构的人造声子晶格板5；
输入金属电极薄膜与输入电极3电气连通，能够基于逆压电效应将电能量转换成声波形成谐振，输出金属电极薄膜与输出电极4电气连通，能够基于正压电效应将产生的声波信号转换成电信号进行输出。
如图9所示，类细胞拓扑结构的人造声子晶格板5由两组阵列构成，每组阵列包含3×5个凸起的圆柱形金属钨，可以有效地阻止从覆盖有金属电极薄膜和压电薄膜部分耗散出来的声波能量，从而减少通过支撑梁传播到基底中去的声波。
本实施例中，硅基底1的材质为具有良好稳定性的<100>高阻硅，其厚度约为10μm；
压电层2的材质为氮化铝，其厚度为0.5μm；
输入电极3，输出电极4和地电极6的材质均为金属铝，其厚度为1μm；
类细胞拓扑结构的人造声子晶格板5由两组阵列构成，每组阵列包含3×5 个压电层和凸出的圆柱体金属钨组成，每个人造声子晶格单元的压电层边长为 1μm×1μm，高度为0.5μm，圆柱体半径为0.42μm，高度为1.1μm。
本次应用的谐振器为横向体声波谐振器，本文设计的具有谐振器沿其宽度 (y轴)振动的波动方程可以写成：
其中ρ和Ep是形成材料堆叠的等效密度和杨氏模量；为u为位移，t为时间， y为振动方向。一般方程的解可取为
其中βy是y轴上的波矢分量。考虑一个宽度为Wr的矩形板并应用自由横向无应力和无应力梯度的边界条件板的边界(y＝0和y＝Wr)，结构振动的基本模式可以导出为
通过牛顿-拉普拉斯方程，声波在固体中传播的速度v在谐振器中用代替，即
其中v是谐振器的声速，Wr是谐振器的宽度，n是模式各个谐波的序列，在本作品中设置为5。谐振器设计1GHz的谐振频率，在所设计声子晶体板禁带内。这谐振器的谐振体是一块矩形板，宽度(Wr)＝4.2μm，长度(Lr)＝63微米。板通过输入电极由逆压电效应驱动，而输出电极用于读出由板振动转换的输出电流，通过直接压电效应悬梁宽度和完美匹配层宽度(PML)已调整使用FEM 分别为10μm和3倍波长(λ)。这谐振体包括薄膜压电层(0.5μm厚的氮化铝，AlN)由上部金属电极(1μm厚的铝，Al)和底部基板(10μm厚的硅，Si)。
(声子晶体板计算过程)
实验及工作原理：
微机电谐振器主要利用的是沿着固体表面传播的声波，通过压电材料来实现电能到机械能再到电能的转换，而通过把电极交叉排列形成的叉指换能器来实现能量的输入与输出。通过输入电极，从外部施加电场，根据逆压电效应，压电材料会发生形变，产生沿固体表面传播的声表面波。声波的频率可以通过调整叉指电极之间的间距来改变，谐振频率可以被定义为：
其中：f为谐振频率；v为声表面波传播的速度；λ为叉指电极之间的间距。
根据本领域公知常识，谐振器的品质因数(Q)可由下式定义：
其中：Q为品质因数；Estored表示谐振器储存的能量，Edissipated表示每个机电转换周期中损失的能量。
因此可以看出：减小能量损耗可以有效提高器件的品质因数。
人造声子晶格是通过将两种声阻抗相差较大的材料周期性排列在一起，产生特定频率范围的声学带隙，带隙频率范围内的声波传播会被抑制，而带隙的频率范围和所处的位置都可以通过改变人造声子晶格单元的几何尺寸进行控制。声波在人造声子晶格内部的色散关系由以下关系式给出：
ω＝v·k
其中，ω是角频率，c是介质中的波速，k代表波矢量。
由于金属钨与铌酸锂两种材料的声阻抗相差较大，因此本发明通过在铌酸锂表面淀积如图4所示的圆柱体金属钨，就可以形成人造声子晶格结构。其单位原胞中铌酸锂尺寸为1×1μm，高度为0.5μm，圆柱体金属钨半径为0.42μm，高度为1.1μm。波矢k通过扫掠图5中所示的不可约布里渊区，可以得到人造声子晶格的带隙范围，如图6所示，带隙范围从894.61MHz到1311.13MHz，包含于该声表面谐振器从894.61MHz到1311.13MHz的工作频率范围。
一种具有人造声子晶格反射器微机电谐振器的加工方法，如图7所示，包括如下步骤：
S1:选取<100>晶向硅晶圆，设置厚度为500±5μm的背衬底硅，得到硅衬底，之后进行表面处理；
S2:在整个衬底上沉积生长铌酸锂压电薄膜；
S3:在铌酸锂压电薄膜表层通过溅射沉积的方法形成金属电极薄膜，并通过光刻得到电极、金属走线和电极盘；
S4:沉积二氧化硅硬掩模，作为沟槽刻蚀时的保护层；
S5:在二氧化硅硬掩模上进行光刻刻蚀，得到淀积钨金属的通孔；
S6:在掩膜表面淀积钨金属，之后反刻得到钨金属圆柱体；
S7:释放保护层并去除表面氧化硅层，得到具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器。
步骤S3中，通过刻蚀形成输入电极，输出电极和地电极的图案。
步骤S4中，沉积二氧化硅硬掩模用于保护位于顶端的输入电极、输出电极和地电极。
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